基于BiFeO3的三相复合材料在超快脉冲器件中表现出高效的磁电耦合和电光克尔效应

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Efficient magnetoelectric coupling and electro-optic Kerr effect in BiFeO 3-based tri-phasic composites for ultra-fast pulsating gadgets

钛合金增材制造后通过多阶段热处理优化显微结构，提升硬度和耐腐蚀性。摘要：

　　Ti-6Al-4V合金因其优异的性能，被广泛应用于多个领域。这种合金具备高强度与重量比、良好的焊接性、出色的耐腐蚀性和优秀的生物相容性，因此在船舶制造、航空航天和医疗设备等工业中扮演着重要角色。然而，传统的制造工艺往往存在生产周期长、材料利用率低以及难以制造复杂结构等问题，限制了其在某些应用中的潜力。为了克服这些局限，近年来发展出了一系列增材制造技术，其中线弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM）因其高效性和灵活性，成为一种极具前景的替代方案。

WAAM技术通过逐层沉积材料，不仅能够实现复杂几何形状的制造，还显著提升了材料的利用效率。然而，由于制造过程中冷却速度较快，导致最终成型的样品通常具有不均匀的微观结构分布。这种结构特征可能影响材料的机械性能和耐腐蚀能力，因此，优化其微观结构成为提升性能的关键。为了实现这一目标，研究者们尝试引入微量元素或辅助能量场，以细化β晶粒、促进等轴晶的形成，并改善材料的强度和延展性。然而，这些方法往往需要复杂的设备和工艺流程，从而影响了生产效率。

相比之下，热处理作为一种更为简单和实用的方法，能够有效调整材料的机械性能。通过控制热处理温度和加热冷却速率，可以调节α和β相的形态、体积分数以及尺寸，从而实现性能的提升。已有研究表明，热处理能够显著改变钛合金的微观结构，特别是在层状α相的形成方面。此外，一些研究还发现，通过创新的热处理和时效工艺，可以实现超细双相结构，从而获得更优异的机械性能。这些研究结果表明，热处理在钛合金的结构优化方面具有巨大潜力。

在本研究中，提出了一种新型的多阶段热处理工艺，结合缓慢加热和冷却以及在接近β相变温度下的时效处理。这种工艺旨在优化Ti-6Al-4V合金的微观结构，从而同时提升其硬度和耐腐蚀性能。通过实验，发现未经热处理的样品呈现出典型的篮网结构，其中α相的长宽比约为13.46。而在经过多阶段热处理后，α相的尺寸显著增大，其长宽比降低至2.73。同时，观察到从保留的β相中析出的针状次级α相。这些变化表明，多阶段热处理能够有效改变材料的微观结构，进而影响其性能。

在硬度方面，经过热处理的样品在垂直于沉积方向（V）和水平方向（H）的平均维氏硬度分别提高了45.13%和41.11%。这表明，热处理不仅能够改善材料的微观结构，还能够显著提升其硬度。在耐腐蚀性能方面，实验采用3.5 wt.%的NaCl溶液进行电化学腐蚀测试，发现经过多阶段热处理的样品（HT-3）相比原始状态表现出轻微的提升。具体表现为腐蚀电流密度从8.3×10?? A·cm?2降低至8.05×10?? A·cm?2，同时表面坑的数量减少，阻抗模量增加。这些结果进一步验证了热处理对钛合金性能的提升作用。

从实验结果可以看出，多阶段热处理能够形成由层状α相、球状α相、次级α相组成的复合微观结构，这种结构不仅提高了材料的硬度，还增强了其耐腐蚀能力。此外，研究还发现，多阶段热处理对钛合金的硬度和耐腐蚀性能具有显著的协同效应。这种协同效应可能是由于热处理过程中不同阶段的温度和时间调控，使得材料内部的相变更加充分，从而优化了其微观结构。

为了进一步验证这些发现，本研究对样品进行了详细的显微结构分析和性能测试。实验中使用的样品采用冷金属转移（Cold Metal Transfer, CMT）技术制造，虽然该技术具有较高的加工效率，但未经热处理的样品通常表现出不均匀的微观结构分布。通过多阶段热处理，这种不均匀性得到了改善，从而提升了样品的整体性能。此外，研究还发现，低长宽比的α相能够显著增强样品的强度，这为优化钛合金的性能提供了新的思路。

本研究还探讨了WAAM技术对钛合金微观结构、硬度和耐腐蚀性能的影响。通过多阶段热处理，可以实现对这些性能的系统调控。研究结果表明，钛合金的微观结构与其性能之间存在密切关系，这种关系可以通过热处理条件进行调控。因此，本研究不仅为钛合金的结构优化提供了理论支持，也为实际工程应用提供了有价值的参考。

此外，研究还发现，热处理不仅能够改善材料的微观结构，还能够影响其耐腐蚀性能。例如，某些研究指出，形成平衡的α和β相能够显著提高材料的耐腐蚀能力，这可能与β相的形成以及马氏体α'相的应力松弛有关。然而，也有研究发现，具有双模态/层状微观结构的钛合金，如Ti-1300合金，其耐腐蚀性能和钝化能力较等轴结构有所下降。这表明，热处理对钛合金性能的影响并非单一的，而是需要根据具体的热处理参数进行综合评估。

综上所述，本研究通过多阶段热处理工艺，成功优化了Ti-6Al-4V合金的微观结构，从而同时提升了其硬度和耐腐蚀性能。这些发现不仅为钛合金的结构优化提供了新的方法，也为实际工程应用提供了重要的理论依据。未来的研究可以进一步探索不同热处理参数对钛合金性能的影响，以期实现更全面的性能提升。